《擺的研究》實驗創新

張朋

摘要：實驗“擺的研究”對于學生初步掌握鐘表的原理，有著重要的促進作用。擺鐘的出現提高了人類對時間的準確認知，研究擺的快慢與什么因素有關，對理解擺鐘的原理和設計制作擺鐘有著重要的作用。根據實驗操作時反映出的問題，對實驗方法和實驗器材進行改進與創新，從而達到高效精準，體現實驗的科學與嚴謹。

關鍵詞：小學科學擺的研究改進與創新

《擺的研究》涉及三個實驗探究，如何引導學生自主設計實驗方案，分小組獨立完成每個實驗，顯得至關重要。為了實現教學目標，更高效地完成實驗，我對實驗方法和實驗器材進行了改進與創新，為學生呈現更為直觀清晰的實驗現象，從而增強學生對科學知識的感性認知和探究性體驗。

下面，我將該實驗在教材中的地位與作用、實驗原型存在的不足、個人對于該實驗的改進與創新、改進后的實驗器材、改進后的實驗過程等，陳述如下：

一、實驗在教材中的地位與作用

《擺的研究》選自教育科學出版社《小學科學》五年級下冊“時間的測量”單元，本課的重點在于研究“擺的快慢與什么因素有關”，起著承上啟下的作用。基于學生在前期的學習中對“擺”已經有了一定的初步認識，并積累了一定的生活經驗。因此本課旨在讓學生能夠使用 “控制變量”的方法搜集證據，體驗精確測量對科學研究的重要性。

二、實驗原型存在的不足

探究實驗一：擺動快慢與擺繩長度的關系。

原型不足：在變換擺繩長度時，需要多次系繩。不僅耽誤時間，而且不容易把握擺繩長度，進而會誤導學生認為不是同一個擺。

探究實驗二：擺動快慢與擺錘重量的關系。

原型不足：在更換擺錘重量使用鉤碼時，兩個以上鉤碼掛在一起，形成多次連接，容易晃動，測量數據不準確;而使用鐵球時，不容易拴住，鐵球比較重，也不容易區分不同鐵球的重量。

探究實驗三：擺的快慢與擺幅大小的關系。

原型不足：擺幅存在不定性，不容易控制擺幅大小，從而產生實驗誤差。

同時，在三個實驗中，由于需要多次實驗，人工計數不僅麻煩，而且還耗時，容易出錯，形成誤差。

三、對實驗的改進與創新

創新是實驗教學永恒的主題，基于對學生科學素養的養成，本節課我以“實驗的改進與創新”作為切入點，讓學生親身體驗傳統實驗的不足，興趣與思維碰撞，主動思考，共同完成實驗的改進與創新。

本節課實驗的改進與創新，主要從以下幾個方面進行。

1.體現重心穩定性原則

之前我用鉤碼做擺錘，當增加鉤碼時，造成重心下移，間接增加了擺繩長度，形成誤差。改進后，我用大小一樣的小磁扣橫向相互吸附，以此充當擺錘重量，不僅可以保持重心不變，提高實驗準確性，而且還能更容易增加擺錘重量（如圖1）。

2.體現廢舊物利用原則

之前在進行擺繩長短對擺的快慢的影響時，一次次更換擺繩，特別不方便，不僅耗時，還不容易確定擺繩的長度。在擺的裝置上，加裝生活中廢舊物“輪軸”。通過轉動“輪軸”，便可輕易做到變化擺繩的長度，達到一根擺繩多次使用的目的，無需多次系繩，大大縮短了因更換擺繩所耗費的時間（如圖2）。

3.體現直觀測量擺繩原則

為了增強實驗的對比性，更直觀地觀察擺繩長短對擺的快慢之影響，我便對擺繩染色，每10 cm涂上一種顏色。通過輪軸可以輕易調整擺繩長度，進行對比實驗，從而驗證不同擺繩長度對擺的快慢之影響（如圖3）。

4.體現變量充分性原則

教材中只安排了兩項活動，探究擺繩和擺錘是哪個因素影響擺的快慢。而在實際教學中，學生還會提出擺幅大小會不會影響擺的快慢，因此我便增設擺幅探究活動。由于擺幅大小不容易確定，所以需要特別制作擺專用量角器。我首先用白紙覆蓋量角器，然后在白紙上清晰標注幾種具有代表性的度數，如此在指示擺角方向就更加明確，同時操作起來又特別方便（如圖4）。

5.讓創新助推科技發展

本節課的三個探究實驗，都需要分工明確的小組合作共同完成，尤其在計時器開始時，更需要同步記錄擺的次數，否則容易出現錯誤。為解決人工計數帶來的麻煩，讓學生體會科技帶來的便捷，我在擺的裝置中加裝傳感器，便可自動計時。但是需要提醒學生了解擺動一次，擺錘經過傳感器的次數是兩次，所以傳感器記錄的數字應除以二，才是擺的次數（如圖5）。

基于以上的改進與創新，新的實驗裝置（如圖6）不僅培養了學生的創新能力和環保意識，而且更加激發了學生對科學探究的興趣。

四、改進后實驗所需準備的器材

鐵架臺一個、細線90 cm（每10 cm涂上一種不同的顏色）、小磁扣若干個，覆蓋白紙的量角器一個，傳感器一個，輪軸一個。

五、實驗過程及其相關說明

1.探究實驗一：擺的擺動快慢與擺繩長度的關系

這個探究實驗中，在保持擺錘輕重和擺幅大小不變的條件下，再通過轉動輪軸調節染色的擺繩，使擺繩長度依次為20 cm、30 cm、40 cm，然后依次記錄15秒內擺的次數，進而進行比較。

通過對實驗數據的分析，我們可以得出這樣的結論，即“擺的擺動快慢與擺繩長度成反比例關系。同一個擺，擺繩越長，擺動越慢;擺繩越短，擺動越快”。

2.實驗二：擺的快慢與擺錘重量的關系

這個探究實驗中，在保持擺繩長短和擺幅大小不變的條件下，再通過改變小磁扣的數量，調整擺錘的重量。由于小磁扣的磁極異性相吸，兩個小磁扣可以很容易吸引在一起，因此，可以將擺錘重量設置為兩個小磁扣、四個小磁扣、六個小磁扣，然后依次記錄15秒內擺的次數，進而進行比較。

通過對實驗數據的分析，我們可以得出這樣的結論，即“擺的擺動快慢與擺錘的重量無關”。

3.實驗三：擺的快慢與擺幅大小的關系

這個探究實驗中，在保持擺繩長度和擺錘輕重不變的條件下，再通過改變擺幅大小，使擺幅大小依次為30°、60°、90°，然后依次記錄15秒內擺的次數，進而進行比較。為了容易確定擺幅大小，在制作擺專用量角器時，在覆蓋量角器的白紙上，先按照30°進行等分，然后標注。

通過對實驗數據的分析，我們可以得出這樣的結論，即“擺的擺動快慢與擺幅的小大無關”。

六、實驗結果的創新應用

本節課完畢后，通過整體回顧，讓學生對知識再認識、再升華，在頭腦中對所學知識形成體系，同時再讓學生聯系實際說一說擺的應用。通過觀看蛇形擺的視頻，利用蛇形擺將擺的運動規律更加深刻地印記在學生的頭腦中，加之再教授學生如何制作蛇形擺，則會更加提升學生繼續去研究擺的熱情。

參考文獻：

[1]任勇.《擺的研究》實驗創新設計[J].中國文字學，2016.

[2]陶仙娟.《擺動科學》擺的實驗改進案例[J].科學大眾·科學教育，2015（2）.

[3]胡小玲.擺的研究實驗創新[J].科學課，2019（56）.

責任編輯：黃大燦